Operationsverstärker. 24. Mai Martin Albert

Transkript

1 Operationsverstärker - Martin Albert Mai

2 Gliederung Einführung Grundlagen Grundlegende Schaltungen spezielle Typen 2

3 Gliederung Einführung Begriff OPV Grundlagen Transistor Grundschaltungen Probleme 3

4 Begriff Operationsverstärker? 4

5 Begriff Operationsverstärker? Operation? 5

6 Begriff Operationsverstärker? Operation? Lexikon: 6

7 Begriff Operationsverstärker? Operation? Lexikon: 1. Handlung 7

8 Begriff Operationsverstärker? Operation? Lexikon: 1. Handlung 2. Eingriff in Körperorgane 8

9 Begriff Operationsverstärker? Operation? Lexikon: 1. Handlung 2. Eingriff in Körperorgane 3. in sich abgeschlossene Kampfhandl. 9

10 Begriff Operationsverstärker? Operation? Lexikon: 1. Handlung 2. Eingriff in Körperorgane 3. in sich abgeschlossene Kampfhandl. 4. Durchführung einer math. Vorschrift 10

11 Begriff Operationsverstärker? Operation? Lexikon: 1. Handlung 2. Eingriff in Körperorgane 3. in sich abgeschlossene Kampfhandl. 4. Durchführung einer math. Vorschrift 5. Arbeitsschritt einer Rechenmaschine 11

12 Begriff Operationsverstärker? Verstärker? 12

13 Begriff Operationsverstärker? Verstärker? Transistor 13

14 Wiederholung Bipolar-Transistor: 14

15 Wiederholung Bipolar-Transistor: UCE UBE 15

16 Wiederholung Bipolar-Transistor: IC IB UCE UBE 16

17 Kennlinie Bipolar-Transistor: 17

18 Kennlinie Bipolar-Transistor: r BE = U I BE B 18

19 Kennlinie Bipolar-Transistor: r CE = U I CE C r BE = U I BE B 19

20 Kennlinie Bipolar-Transistor: β = I I C B r CE = U I CE C r BE = U I BE B 20

21 Kennlinie Bipolar-Transistor: β = I I C B r CE = U I CE C r BE = U I BE B Arbeitspunkt 21

22 Grundschaltungen? 22

23 Definition: Schaltung mit einem oder auch mehreren Transistoren, die aufgrund ihrer nützlichen Eigenschaften oft verwendet wird. 23

24 Arten: Emitterschaltung Kollektorschaltung Basisschaltung Darlingtonschaltung 24

25 Beispiel Emitterschaltung: 25

26 Beispiel Emitterschaltung: V u U = U a e = R V UCE i + U B BE 26

27 Beispiel Emitterschaltung: V u U = U a e = R V U CE i + U B BE = R V r i B ic + r CE BE i B 27

28 Beispiel Emitterschaltung: V u U U a CE CE C = = = = β e R V U i + U B BE R V r i B i + r BE i B R V r + CE r BE 28

29 Beispiel Emitterschaltung: V i = i i a e = i i a B = i β i a c 29

30 Beispiel Emitterschaltung: V i = i i a e = i i a B = i i a L β = β = c icr R i c c r β R CE L 30

31 Zusammenfassung: Basis Emitter Kollektor Vu (180 ) ~1 VI < Widerstandsbetrachtung 31

32 Probleme: 32

33 Probleme: Jede Schaltung hat Vor- und Nachteile 33

34 Probleme: Jede Schaltung hat Vor- und Nachteile Arbeitspunkt ändert sich durch Temperatureinflüsse, Materialabweichung 34

35 Probleme: Jede Schaltung hat Vor- und Nachteile Arbeitspunkt ändert sich durch Temperatureinflüsse, Materialabweichung Schaltungen sind nur in einem kleinen Bereich linear 35

36 Probleme: Jede Schaltung hat Vor- und Nachteile Arbeitspunkt ändert sich durch Temperatureinflüsse, Materialabweichung Schaltungen sind nur in einem kleinen Bereich linear Schwellspannung von 0,7V 36

37 Lösung:? 37

38 Lösung: Ineinanderschaltung von mehreren Grundschaltungen, wobei die Vorteile von jeder Schaltung genutzt werden. 38

39 Beispiel: 39

40 Gliederung Grundlagen OPV Einführung Aufbau Eigenschaften Ersatzschaltbild 40

41 Grundlagen Einführung: Operation mathematische Verknüpfung 41

42 Grundlagen Einführung: Operation mathematische Verknüpfung OPV wurde in den ersten Analogrechnern eingesetzt 42

43 Grundlagen Einführung: Operation mathematische Verknüpfung OPV wurde in den ersten Analogrechnern eingesetzt integrierte Schaltung 43

44 Grundlagen Einführung: Operation mathematische Verknüpfung OPV wurde in den ersten Analogrechnern eingesetzt integrierte Schaltung dient dazu Spannungen und Ströme zu verstärken 44

45 Grundlagen Aufbau: UD Ua UP UN 45

46 Grundlagen Aufbau: nicht inv. Eingang Ausgang UD inv. Eingang UP UN Ua UP 46

47 Grundlagen Aufbau: nicht inv. Eingang Ausgang UD inv. Eingang UP UN Ua UP Verstärkung: Ua = AD UD 47

48 Grundlagen Arten: 4 Arten von Operationsverstärkern unterscheiden sich in der Größe der Eingangsund Ausgangswiderstände 48

49 Grundlagen Unterschiede zum Verstärker: keine Arbeitspunkteinstellung (Ruhepotential = 0) seine Eigenschaften werden durch die äußere Beschaltung erst bestimmt 49

50 Grundlagen Zusammenfassung idealer OPV : Eigenschaft Eingangswiderstand Ausgangswiderstand Leerlaufverstärkung Frequenzverhalten Aussteuerbarkeit 0 Idealer OPV linear von U+ bus U- 50

51 Grundlagen Beispiel ohne Beschaltung: 51

52 Grundlagen Beispiel ohne Beschaltung: 10V 5V 0V -5V -10V 0s 50ms 100ms 150ms 200ms 250ms 300ms V(U1:+) V(U1:OUT) Time 52

53 Grundlagen Gegenkopplung: OPV zeichnet sich durch die äußere Beschaltung aus DU = kfue-krua Ue + kfue - + AD Ua Ua krua 53

54 Grundlagen Gegenkopplung: OPV zeichnet sich durch die äußere Beschaltung aus DU = kfue-krua Ue + kfue - + AD Ua Ue krua V =kf/kr 54

55 Grundschaltungen nicht inv. Verstärker: Ue Ua 55

56 Grundschaltungen nicht inv. Verstärker: R V = 1+ 4 R 6 Ue Ua 56

57 Grundschaltungen inv. Verstärker: Ue Ua 57

58 Grundschaltungen inv. Verstärker: Ue Ua V = R R

59 Grundschaltungen Komparator: Aufgabe eines Schalters Ue Ua 59

60 Gliederung OPV-Typen Problem Versorgungsspannung Single Supply OPV Rail-to-Rail OPV 60

61 OPV Typen Betriebsspannung: Normale OPV s werden symmetrisch angesteuert z.b.: -10V..10V 61

62 OPV Typen Betriebsspannung: Normalen OPV s wurden symmetrisch angesteuert z.b.: -10V..10V Bereich kann verschoben werden z.b.: -7V..13V 62

63 OPV Typen Betriebsspannung: Normalen OPV s wurden symmetrisch angesteuert z.b.: -10V..10V Bereich kann verschoben werden z.b.: -7V..13V Problem: Ruhepotential verschiebt sich ebenfalls 63

64 OPV Typen Ruhepotential: ist die Spannung, die am Ausgang anliegt, wenn UD = 0 ist 64

65 OPV Typen Ruhepotential: ist die Spannung die am Ausgang anliegt, wenn DU = 0 ist sie liegt symmetrisch im Ansteuerungsbereich 65

66 OPV Typen Ruhepotential: ist die Spannung die am Ausgang anliegt, wenn DU = 0 ist sie liegt symmetrisch im Ansteuerungsbereich 1. Beispiel: -10V..10V RP: 0V 2. Beispiel: -7V..13V RP: 3V 66

67 OPV Typen Single Supply OPV: Standard-OPV: LM324 (verwenden wir im Labor) Vorteil: Ansteuerung bis zur neg. Versorgungsspannung 67

68 OPV Typen Rail-to-Rail OPV: können von der neg. bis zur positiven Versorgungsspannung angesteuert werden 68

69 Quellen [1] Tietze, U; Schenk, Ch.: Halbleiterschaltungstechnik, Springer Verlag (11. Auflage, 1999) [2] Beuth, K.; Schmusch, W.; Grundschaltungen, Vogel Fachbuch [3] Schnabel, P.: das ELKO - das ELektronik- Kompendium.de, 6 [4] Naunin, D.: Grundlagen der Elektrotechnik IA und IB, Skript (Auflage April 2002) 69